Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Gerhard Lener
Dipl.-Ing. Felix Bertagnolli
1
Institut für Konstruktion und Materialwissenschaften
Stahlbau und Mischbautechnologie
Univ. Prof. Dipl.- Ing. Dr. techn. Gerhard Lener
Ein Algorithmus zur parameterfreien
Formoptimierung und Vergleich mit
kommerziellen Lösungen

ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien 2
Inhaltsübersicht
Motivation für die Entwicklung des Algorithmus
Vorstellung des entwickelten Algorithmus
Vergleich mit parameterfreien Topologieoptimierung
Zusammenfassung und Ausblick
Vergleich mit parameterorientierter Gestaltoptimierung
Anwendung an einem Druckgussgehäuse
Optimierungsverfahren mittels FEM

Motivation
3
 Optimierung der Form eines Kunststoff-Bedienhebels einer
mechanisch verstellbaren Lenksäule hinsichtlich Festigkeit
Ausgangsgeometrie für die Optimierung
 Die Optimierung soll nach Möglichkeit in ANSYS Workbench erfolgen

Optimierung mittels FEM

5
„Von Hand“-Optimierung
Parameterorientierte Optimierung
Parameterfreie Optimierung
Geometrie
CAD
Model SetupSolution
Post-
processing

6
Parameterorientierte Optimierung
Sauter, Mulfinger, Muller: Neue Entwicklungen im Bereich der Gestalt-
und Topologieoptimierung; FE-Design, Karlsruhe [1992]

7
Sauter, Mulfinger, Muller: Neue Entwicklungen im Bereich der
Gestalt- und Topologieoptimierung; FE-Design, Karlsruhe [1992]
Parameterfreie Optimierung

Optimierung über Temperaturverformungen

9
Spannungsanalyse
infolge der Belastung
Verformungsberechnung
der Temperaturbelastung
Geometrie
CAD Setup
Solution
Post
→
Solution
Post
{u,v,w}
Setup
Geometrie
CAD

10
Definition der Randbedingungen
der statischen Analyse
Definition der Bereiche
wo die Geometrie nicht
modifiziert werden darf

11
Transfer des Modells nach ANSYS APDL
und Angabe der ADPL-Datei für die Optimierung

12
! seqv in etable
etable,seqv,s,eqv
! Speichern in S_eqv
*vget,s_eqv(1),elem,1,etab,seqv
! Maximalspannung
esort,seqv
*get,seqvmx,sort,,max
! Temperaturbelastung aufbringen
treff,seqvmx*0.5
*do,iel,1,elmx
bfe,iel,temp,1,s_eqv(iel)
*enddo
! Factor Temperaturverformung
fac=500
upgeo,fac,1,1,temp,rst
save,geo_opt,db

13
Ergebnis der Optimierung

14
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
v'MisesSpannung[%]
Iterationen
Ergebnis der Optimierung Rückführung der optimierten
Geometrie z.B. FE-Modeler

Parameterorientierte Gestaltoptimierung

16
DS_Angle = 20..150
DS_Thickness = 15..25
DS_Depth = 15..25
DS_LowerRadius = 45..55
Quelle: CADFEM Update Training 12.1

17
Initial mass: 752g,
safety factor: 0.546,
Quelle: CADFEM Update Training 12.1
Optimal: 717 g,
safety factor: 1.126

18

19
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
v'MisesSpannung[%]
Masse[%]
Iterationen
Optimierung Kranhaken
Seqv [Mpa] Masse [kg]

Parameterfreie Topologieoptimierung

21

22
Shape Optimization (ANSYS ) Temperaturverformung

23
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
v'MisesSpannung[%]
Masse[%]
Iterationen
Optimierung Bremshebel
Seqv [Mpa] Masse [kg]
82%
ITER=2
ITER=10
54%

24
ITER=2ITER=10

Optimierung - Druckgussgehäuse

26
Werkstoff: EN AC-42200 T6
Deckel
Gehäuse
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
110%
120%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
110%
120%
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
v'MisesSpannung[%]
Masse[%]
Iterationen
Druckgussgehäuse
Spannung [%] Masse [%]
85%

27
Definition der Randbedingungen in WB
(Named Selections)

28
5
,1
2 1 1 1
,2
180,5
153,6
k
a
a
N N N N 2,24
Erhöhung der ertragbaren Lastspielzahlen

29
Modifizierte Geometrie
Vergleich mit Ausgangsgeometrie

Zusammenfassung - Ausblick

Zusammenfassung
31
 Es wurden die gebräuchlichen Verfahren zur Optimierung der
Gestalt und Topologie von vorgestellt und die erzielbaren
Ergebnisse miteinander verglichen.
 Von den drei Optimierungsverfahren
 „von Hand“
 parameterorientierte
 parameterfreie
besitzen alle Verfahren Stärken und Schwächen.
 Das in ANSYS integrierte Verfahren der Topologieoptimierung liefert
vergleichbare Ergebnisse wie das entwickelte Verfahrung mittels der
Temperaturverformungen.
 Das Verfahren der Topologieoptimierung in ANSYS kann jedoch keine
Elemente über den vorgegebenen Bauraum hinaus hinzufügen, das Verfahren
mittels der Temperaturverformungen schlecht Elemente entfernen.

Zusammenfassung
32
 Das entwickelte Verfahren erforderte keine zusätzliche Software.
 Die Möglichkeiten der Workbenchumgebung lassen sich sinnvoll und
auf ähnlich intuitive Art wie für die übrigen Programmteile nutzen.
 Das entwickelte Verfahren bietet Vorteile bei der Definition der
Randbedingungen für die Optimierung und liefert einen raschen Hinweis
auf die Optimierungsmöglichkeit von komplexen dreidimensionalen Bauteilen.
 Als Nachteil ist derzeit noch die beschränkte Modifikation der
Ausgangsgeometrie anzusehen. Bei großen Umformgraden
entstehen „schlechte Elemente“, welche den Einsatz limitieren.
 Der Markt bietet sehr viel Software zur Bauteiloptimierung. Keines der
Verfahren liefert aber in allen Fällen auf Knopfdruck die optimale Lösung.

Ausblick und mögliche Weiterentwicklungen
33
Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit
 Einbau von automatischen REZONING / REMESHING
Routinen (z.B. in WB über FE-Modeler)
 Verbesserung des Moduls zur Entfernung von
gering beanspruchten Modellbereichen

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